ES2343969T3 - Paquete densificado de tubos de transferencia de calor. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto de serpentín (16) para un intercambiador de calor (10), que comprende: una formación de al menos dos circuitos de serpentino, cada circuito incluye secciones (66) de tubo longitudinal de un diámetro efectivo D, secciones (68) de curva de retorno de un diámetro efectivo D, y extremos de entrada y salida, donde los por lo menos dos circuitos de serpentino se apilan en una disposición plana escalonada con curvas de retorno adyacentes (68) que están al menos parcialmente superpuestas; caracterizado porque: al menos uno de los dos circuitos de serpentino está provisto con al menos una zona de depresión (68B) que coincide con el punto de superposición con la curva de retorno (68) de un circuito de serpentino adyacente, en el que los por lo menos dos circuitos de serpentino son agrupados de manera densa para que los circuitos de serpentino adyacentes se aniden en la al menos una zona de depresión (68B) para proporcionar una densidad de agrupamiento D/S entre circuitos mayor que 1,02, donde S es la separación entre cada uno de los circuitos adyacentes y D es el diámetro efectivo de las secciones de tubo (66).
Description
Paquete densificado de tubos de transferencia de
calor.
Esta invención se refiere a un paquete de tubos
de intercambio de calor que tiene una estructura con densidad
uniforme. Más concretamente, esta invención se refiere a dicho
paquete y método de fabricación en el que se proporcionan
concavidades por lo menos en zonas de superposición de curvas de
retorno de manera que los tubos superpuestos resultantes pueden
agruparse con un aumento de densidad en el que la separación entre
circuitos entre tubos adyacentes es menor que el área proyectada de
la sección transversal de los tubos individuales.
Se conocen varios sistemas de paquetes de tubos
de transferencia de calor. Las torres de refrigeración de circuito
cerrado y los condensadores incluyen típicamente un paquete de
numerosas longitudes de tubos en una formación. El tubo puede ser
en forma de serpentino o como una serie de tubos separados que
discurren en una sección de colector. El tubo contiene un vapor de
condensación o un medio para ser enfriado, tal como agua. En el
producto acabado, el aire y/o el agua es obligado a fluir por las
superficies externas de los tubos.
Intercambiadores de calor de contracorriente por
evaporación se muestran y describen, por ejemplo, en las patentes
de EE.UU. Nº 3.132.190 y 3.265.372. Esos intercambiadores de calor
incluyen un conducto que se extiende hacia arriba que contiene una
formación de tubos que forman un conjunto de serpentín. Se
proporciona una sección de pulverización en el conducto por encima
del conjunto de serpentín para pulverizar agua hacia abajo sobre
los tubos; y hay dispuesto un ventilador para soplar aire en el
conducto cerca de la parte inferior del mismo y arriba entre los
tubos en relación a contracorriente al agua pulverizada que fluye
hacia abajo. El calor del fluido que pasa a través de los tubos del
conjunto de serpentín se transfiere a través de las paredes del
tubo hacia el agua pulverizada sobre los tubos; y el aire que fluye
hacia arriba provoca la evaporación parcial de una parte del agua y
la transferencia de calor y masa del agua al aire. El aire así
calentado y humidificado fluye entonces hacia arriba y afuera del
sistema. El agua restante se acumula en la parte inferior del
conducto y se bombea hacia arriba y hacia fuera a través de toberas
de pulverización en forma de recirculación.
Hay otros intercambiadores de calor del tipo de
evaporación en los que el líquido y el gas fluyen en la misma
dirección sobre el conjunto de serpentín. Ejemplos de estos otros
dispositivos, que generalmente se conocen como intercambiadores de
calor de flujo de corriente en el mismo sentido, se muestran en las
patentes de EE.UU. Nº 2.752.124, 2.890.864, 2.919.559, 3.148.516 y
3.800.553.
Los anteriores son tipos de intercambiadores de
calor solo con serpentín. Hay otros tipos, como tipos de
serpentín/relleno que están provistos tanto con una sección de
intercambiador de calor por evaporación indirecto como de un
sistema de intercambiador de calor por evaporación directo. La
patente de EE.UU. nº 5.435.382 es un ejemplo de ese intercambiador
de calor.
En los sistemas convencionales mencionados antes
se han probado varias metodologías diferentes de diseños de
paquetes de tubos de transferencia calor. En los primeros diseños;
los conjuntos de serpentín de tubos redondos se agrupaban en
formaciones apretadas para aumentar el área de la superficie. El
número de circuitos que podían ser agrupados en un paquete de tubos
de serpentino estaba limitado por el diámetro de los tubos. Esto se
debía a que las curvas de retorno se superponían entre sí y por lo
tanto se tocaban cuando estaban separadas muy próximas.
Diseños posteriores, tales como la patente de
EE.UU. Nº 4.196.157, se orientaron a un paquete de tubos de
transferencia de calor disperso en que se aumentó la separación para
permitir más flujo de aire entre los tubos, un mayor coeficiente de
película interior y una mejor humectación de los tubos en los
intentos de aumentar las tasas de transferencia total de calor.
Otros diseños como los de las Patentes de EE.UU. Nº 5.425.414 y
5.799.725 mantenían alta la densidad de agrupamiento y utilizaban
sistemas circulares de curvas de retorno, pero proporcionaban
secciones de tubo elípticas en los tramos rectos en un intento de
aumentar el flujo de aire. El agrupamiento en tales ejemplos estaba
limitado de nuevo por el diámetro de la curva de retorno circular.
La publicación de patente alemana Nº DE3.413.999C2 se orienta a
tubos ovalados y describe los problemas de conformación de tubos
ovales en curvas con forma de U.
Algunos diseños de la técnica anterior
intentaron aumentar la capacidad de "arrastrar hacia abajo"
ligeramente el paquete de tubos, por ejemplo, sujetando comprimidos
todo el paquete durante el montaje. Si bien se ha encontrado que
esto permite apretar ligeramente la separación para un determinado
tamaño de intercambiador de calor (normalmente 0,4 mm (1/64'') o
algo así), dicha compresión no actúa de manera homogénea en el
paquete de tubos, sino que concentra las fuerzas de compresión en
los tubos que están más en los extremos. Si el arrastre hacia abajo
es excesivo, se produce un paquete de tubos con propiedades de flujo
inconsistente, ya que los tubos que están más en los extremos (el
más alto y el más bajo) pueden resultar deformados
desproporcionadamente para provocar un problema de flujo o presión
en estos circuitos. Por estas razones, el "arrastre hacia
abajo" ha sido limitado típicamente a no más del 2% de la
anchura de la curva de retorno. Así, el agrupamiento se ha limitado
a una densidad que era típicamente inferior a 1,0, y, posiblemente,
ligeramente mayor a 1,0 (hasta 1,02) por medio del "arrastre
hacia abajo". Sin embargo, este aumento de la densidad no se
controlaba de manera uniforme y precisa.
Hay una necesidad de mejorar el diseño de un
paquete de tubos de intercambiador de calor y un método de
fabricación que pueda aumentar el área de la superficie de
transferencia de calor para un tamaño de intercambiador de calor
dado.
También hay una necesidad de un diseño de
paquete de tubos de intercambiador de calor que puedan aumentar la
densidad del paquete. Hay una necesidad particular de un diseño de
paquete de tubos de intercambiador de calor que aumente la densidad
del paquete de manera uniforme, de modo que todos los circuitos
puedan mantener una funcionalidad consistente.
La invención permite agrupar una mayor área de
superficie de transferencia de calor en las mismas limitaciones de
espacio y de tamaño que los diseños anteriores o, por el contrario,
permite que la misma área de superficie de transferencia de calor
sea incluida en un recinto que ocupa menos espacio. Cualquiera de
estas técnicas aumenta la ratio área de superficie de transferencia
de calor/coste. La invención también reduce la caída de presión en
el intercambiador de calor al proporcionar más circuitos sobre los
diseños de la técnica anterior.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un conjunto de serpentín, como se define en la
reivindicación 1. La invención se caracteriza por la descripción
del documento de los EE.UU. 4.196.157 por la parte caracterizadora
de la reivindicación 1. El número de tubos en el conjunto de
serpentín de un intercambiador de calor de acuerdo con
realizaciones preferidas es mayor de lo que previamente se hubiera
considerado posible para proporcionar la máxima área de superficie
de transferencia de calor para un tamaño de intercambiador de calor
dado. El conjunto de serpentín se compone de formaciones de
segmentos de tubo sustancialmente equidistantes situados en
diferentes niveles en el conjunto de serpentín. De acuerdo con la
invención, el conjunto de serpentín está dispuesto para tener
circuitos individuales de un diámetro efectivo D y una separación S
entre circuitos que es inferior a D. Cuando se utiliza una sección
no circular, el perímetro exterior del tubo dividido por pi es
considerado como el diámetro efectivo D.
La invención puede ser puesta en práctica en la
mayoría de cualquier tipo de intercambiador de calor en los que se
proporcionan circuitos de tubos superpuestos. Los tubos pueden ser
continuos o discontinuos, tales como tubos rectos con curvas de
retorno fabricadas por separado. Ejemplos no limitantes incluyen
intercambiadores de calor refrigerados por evaporación,
intercambiadores de calor refrigerados por aire e intercambiadores
de calor de carcasa y tubos. El conjunto de serpentín inventivo es
particularmente ventajoso para el uso con tubos de serpentino. Los
intercambiadores de calor de tipo sólo de serpentín pueden mostrar
una mejora de las propiedades de rendimiento ya que el conjunto de
serpentín inventivo permite proporcionar una mayor área de la
superficie de transferencia de calor en la misma limitación de
espacio. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, puede producirse un
descenso adverso del flujo de aire, ya que la trayectoria del flujo
entre los circuitos es marginalmente menor, lo que contrarresta
algunas de las ventajas térmicas de más área de superficie de
transferencia de calor. La invención, sin embargo, es más útil
preferentemente en intercambiadores de calor de tipo
serpentín/relleno, porque el aumento en la densidad del paquete de
tubos no disminuye el flujo de aire global de la unidad en el mismo
grado en que lo puede ser en un paquete de tubos tradicional solo
de serpentín.
El uso de concavidades para reducir localmente
las dimensiones exteriores de los tubos en la zona de superposición
es ventajoso, ya que sólo tiene un aumento mínimo en la caída de
presión del fluido interno en comparación con toda la curva de
retorno. Por otra parte, las concavidades son más fáciles de formar
que la compresión de toda una curva de retorno, a la vez que tiene
un mínimo efecto, si hay algo, sobre las características
estructurales de los tubos. Por otra parte, el apilamiento de tubos
adyacentes que se anidan en las concavidades sirve para reforzar la
zona de la concavidad, reduciendo cualquiera de tales efectos.
En realizaciones de la invención, hendiduras o
"concavidades" de dimensiones predeterminadas, preferiblemente
con una profundidad de 2,5% a un 50% del diámetro del tubo, se
disponen localmente en uno o más puntos predeterminados en al menos
una de las dos secciones superpuestas de tubos adyacentes. Cuando
dichas secciones de tubo se apilan juntas, las curvas de retorno
adyacentes se anidan en estas concavidades, permitiendo que los
circuitos sean agrupados más apretadamente que las curvas de
retorno sin concavidades. Un ejemplo de realización tiene
concavidades con una profundidad de entre 1,6 a 4,8 mm (1/16'' a
3/16''). Sin embargo, la formación de concavidades no se limita a
esto. El tamaño real de las concavidades puede ser seleccionado en
base a varios criterios, entre ellos el grado deseado de
compresión/densidad, consideraciones estructurales y la reducción
máxima del área en sección transversal que se permita por la caída
de presión y/o velocidad del fluido, gas o las dos fases.
En un ejemplo de realización, la formación de
concavidades se proporciona a ambos lados de cada curva de retorno.
En una realización alternativa, la formación de concavidades se
proporciona en ambos lados de cada dos curvas de retorno, dejando
curvas de retorno adyacentes sin concavidades pero produciendo el
mismo efecto general. En incluso otro ejemplo de realización, cada
curva de retorno tiene concavidades en dos lugares en un lado de
los tubos para que, independientemente del orden de apilamiento de
los circuitos, los paquetes de tubos se aniden siempre de manera
uniforme. En incluso un ejemplo de realización adicional, las
concavidades se pueden realizar en ambos lados de todos los tubos,
pero con un tamaño de concavidad reducido o menos pronunciado. Esto
tendrá el mismo resultado neto que las concavidades más grandes que
se proporcionan en un solo lado. En incluso otra realización, el
mismo efecto puede lograrse mediante el uso de una sección
transversal reducida no circular en la dirección del proceso. Un
ejemplo de esto sería una sección elíptica.
En ejemplos de realizaciones de la invención,
las concavidades pueden formarse en masa con un troquel o plantilla
que forma las concavidades sustancialmente de manera simultánea a
todas las zonas necesarias en un circuito. Alternativamente, se
pueden formar concavidades individuales durante la formación de las
curvas de retorno del serpentino. El método particular de
producción puede ser seleccionado basándose en el método particular
de fabricación del tubo utilizado.
La invención será descrita con referencia a los
dibujos siguientes, en los que:
La figura 1 es una vista en alzado lateral de la
sección parcial de un ejemplo de intercambiador de calor de tipo
serpentín/relleno que incluye una sección de intercambiador de calor
indirecto por evaporación y una sección de intercambio de calor
directo por evaporación que incorpora un paquete de tubos de calor
densificados de acuerdo con la presente invención;
La figura 2 es una vista lateral de otro ejemplo
de realización de la invención en la que el conjunto de serpentín
densificado se dispone en un intercambiador de calor solo de tipo
serpentín;
La figura 3 es una vista en planta de la sección
parcial del paquete de tubos de calor en los intercambiadores de
calor de ejemplo de las figuras 1 y 2;
La figura 4 es una vista tomada a lo largo de la
línea 4-4 de la figura 3;
La figura 5 es una vista parcial en perspectiva
que muestra una formación de segmentos de tubo que forman una parte
de un conjunto de serpentín de acuerdo a un primer intercambiador de
calor de la técnica anterior;
La figura 6 es una vista parcial en perspectiva
que muestra una formación de segmentos de tubo que forman una parte
de un conjunto de serpentín de acuerdo a un segundo intercambiador
de calor de la técnica anterior;
La figura 7 es una vista parcial en perspectiva
que muestra una formación de segmentos de tubo que forman una parte
de un conjunto de serpentín de acuerdo a un tercer intercambiador de
calor de la técnica anterior;
La figura 8 es una vista parcial en perspectiva
que muestra una formación de segmentos de tubo que forman una parte
de un conjunto de serpentín de acuerdo a un ejemplo de realización
de la invención;
La figura 9 es una vista en alzado frontal de un
ejemplo de tubo de serpentino que forma un circuito individual de
acuerdo con la invención;
La figura 10 es una vista parcial en alzado
frontal de cada curva de retorno del tubo de la figura. 9;
La figura 11 es una vista parcial en planta de
la curva de la figura 10 en la zona de concavidad;
La figura 12 es una vista de extremo de un
colector que recibe los extremos del conjunto de tubos de acuerdo
con un ejemplo de realización de la invención, y
La figura 13 es un ejemplo de herramienta con
forma de V formadora de concavidades para forma una zona de
concavidades con dos lados en las curvas de retorno.
La disposición inventiva de conjunto de
serpentín es aplicable a muchos tipos diferentes de intercambiadores
de calor, incluyendo, pero no limitado a los intercambiadores de
calor indirectos por evaporación, intercambiadores de calor
refrigerados por aire, unidades de almacenamiento térmico e
intercambiadores de calor de carcasa y tubos. En un intercambiador
de calor indirecto por evaporación participan tres corrientes de
fluido: una corriente de aire, una corriente de líquido de
evaporación y una corriente de fluido encerrado, que puede ser un
líquido o gas. La corriente de fluido encerrado intercambia primero
calor con el líquido de evaporación a través de transferencia de
calor indirecta, ya que no hace contacto directo con el líquido de
evaporación, y luego el líquido de evaporación y la corriente de
aire intercambian calor por evaporación cuando hacen contacto
directo entre sí. En un intercambiador de calor directo por
evaporación, sólo participan una corriente de aire y una corriente
de líquido por evaporación y las dos corrientes intercambian calor
por evaporación cuando entran en contacto directo entre sí. El
líquido de evaporación es normalmente agua.
Los intercambiadores de calor por evaporación de
ciclo cerrado pueden agruparse a grandes rasgos en tres categorías
generales: 1) intercambiadores de calor indirectos autónomos por
evaporación, 2) combinación de intercambiadores de calor directos e
indirectos por evaporación y 3) cobertizos de serpentines.
Los intercambiadores de calor autónomos
indirectos por evaporación representan el primer grupo. Los
productos con corrientes de líquido de evaporación y aire en
contracorriente, flujo cruzado o flujos en el mismo sentido están
disponibles comercialmente, aunque el diseño de contracorriente
predomina.
El segundo grupo implica productos que combinan
secciones de intercambio de calor por evaporación tanto directo
como indirecto. El último grupo incluye cobertizos de serpentines,
que consisten en un intercambiador de calor indirecto no ventilado
y directo de evaporación.
Un primer ejemplo de intercambiador de calor al
que se puede proporcionar el conjunto de serpentín de tubos
densificados de la invención se muestra en la figura 1. El aparato
10 de intercambiador de calor es de tipo serpentín/relleno y puede
servir como una torre de refrigeración de circuito cerrado. En
general, el aparato 10 incluye una estructura de recinto que
contiene una sección 80 de refrigeración de fluido indirecta por
evaporación en múltiples circuitos, una sección 90 de intercambio de
calor directo por evaporación, un sumidero en la parte más inferior
de recogida de líquido de evaporación que entrega líquido a un
conjunto 14 de pulverización de agua en la parte más superior a
través de un sistema 50 de distribución de tuberías con toberas 52,
y un conjunto de ventilador 18. El conjunto 14 de agua pulveriza
líquido de evaporación hacia abajo a través del aparato 10. El
ventilador 18, impulsado por un motor 42 por medio de la correa 40,
mueve una corriente de aire a través de cada una de las secciones
80 y 90 de intercambio de calor, aunque una corriente de aire
natural es también un medio viable para mover el aire. El
ventilador 18 puede ser un ventilador de corriente de aire inducida
o forzada o un tipo de ventilador de hélices comunes.
El aparato 10 tiene muchas aplicaciones en el
campo de intercambio de calor. Por ejemplo, el aparato 10 puede
utilizarse para enfriar un fluido sensible de una sola fase, tal
como el agua, que fluye dentro de un sistema de circuito cerrado
externamente suministrado, o puede ser utilizado para bajar el
recalentamiento y condensar un fluido latente y sensible de varias
fases, tal como un gas refrigerante, también suministrado por un
sistema externo de circuito cerrado. Por último, el campo de
funcionamiento de uso para el aparato 10 también incluye funciones
como un enfriador de aire húmedo, en el que el aire descargado es
conducido fuera del sitio para ser utilizado como una fuente de
aire refrigerado nuevo para una operación tal como la minería.
Como se hará evidente, las estructuras de torre
que contienen los componentes mencionados antes también se pueden
disponer y estar formadas de varias maneras diferentes; el aparato
10 no se limita estrictamente a una forma o disposición.
La sección 80 de intercambio de calor indirecto,
que se compone de un solo conjunto de serpentín que tiene una
formación de tubos 66, se superpone por encima de la sección 90 de
intercambio de calor directo por evaporación. La sección 80 de
intercambio de calor indirecto recibe un fluido caliente fluyente a
enfriar desde un proceso fuera del lugar y se enfría en esta
sección por una combinación de intercambio de calor sensible
indirecto e intercambio de calor directo por evaporación. El
líquido de evaporación, que suele ser agua de refrigeración, se
pulveriza hacia abajo por el conjunto 14 sobre la sección indirecta,
intercambiando por tanto calor sensible indirecto con el fluido a
enfriar, mientras que una corriente de aire ambiente que entra por
la entrada primaria 100 de aire, enfría por evaporación del líquido
de evaporación cuando los dos medios se mueven hacia abajo a través
del conjunto de serpentín. En esta realización particular, la
corriente de aire entrante se muestra entrando y fluyendo en un
sentido que es paralelo o concurrente con la dirección del agua de
refrigeración, aunque la corriente de flujo de aire no se limita a
ningún tipo de patrón de flujo particular, como se verá más
adelante, donde se explicará un patrón de flujo de aire a
contracorriente. Una vez que los medios de refrigeración de aire y
agua llegan a la parte inferior de la sección indirecta 80, se
separan, con la corriente de aire arrastrada por el ventilador 18,
mientras que el agua desciende por gravedad en la sección 90 de
intercambio de calor directo. El aire se descarga entonces desde el
aparato 10 por el ventilador, mientras que el agua se enfría en la
sección de intercambio de calor directo, como se explicará en breve.
La corriente de aire que entra por la entrada 100 suministra aire
que sólo se utilizará con fines de enfriamiento en la sección de
intercambio de calor indirecto, independientemente del patrón actual
de flujo de aire a través de dicha sección.
La sección 90 de intercambio de calor directo
por evaporación funciona para enfriar el agua que se calienta y
desciende desde la sección 80 de intercambio de calor indirecto. La
sección 90 de intercambio de calor directo por evaporación se
compone de una formación de láminas de plástico paralelas, separadas
estrechamente, que forman un paquete relleno 92, a pesar de que el
relleno 92 podría estar formado por relleno convencional de tipo
salpicadura. El agua caliente recibida por el paquete relleno 92
desde la sección indirecta 80 se distribuye a través de cada lámina
de relleno de manera que una fuente de aire ambiente exterior, que
entra por una entrada de aire secundaria, enfría por evaporación el
agua caliente que descendente por las láminas. Aquí, la corriente
de aire ambiente se muestra entrando en la sección directa 90 en
manera de corriente cruzada con el agua caliente descendente que
drena a través del paquete relleno 92, aunque se pueden usar otros
esquemas de flujo de aire.
Un segundo ejemplo de intercambiador de calor al
que se puede proporcionar el conjunto de serpentín de tubos de la
invención se muestra en la figura 2 e incluye un conducto
generalmente vertical 10, de construcción de chapa de metal y que
tiene, en diferentes niveles de su interior, un conjunto superior 12
eliminador de vaporización, un conjunto 14 pulverizador de agua, un
conjunto de serpentín 16, un conjunto de ventilador 18 y una cuba
inferior 20 de agua.
El conducto vertical 10 pueden ser de forma
rectangular, sección transversal generalmente uniforme y comprende
paredes verticales delantera y trasera 24 y 22 (Figura 2) y paredes
laterales verticales 26 y 28 (Figura 3). Una pared en diagonal 30
se extiende hacia abajo desde la pared delantera 24 hacia la parte
inferior de la pared trasera 22 para definir la cuba 20 de agua. El
conjunto de ventilador 18 se coloca detrás y debajo de la pared en
diagonal 30. Sin embargo, este es sólo un ejemplo ilustrativo de
colocación. Pueden ser sustituidas otras disposiciones
convencionales o desarrolladas posteriormente. El conjunto de
ventilador se compone de un par de ventiladores centrífugos 32 cada
uno de los cuales tiene una campana 34 de salida que sobresale a
través de la pared en diagonal 30 y en el conducto 10 por encima de
la cuba 20 de agua y por debajo del conjunto de serpentín. Los
ventiladores 32 pueden compartir un eje de tracción común girado por
medio de una polea de accionamiento 38 conectada a través de una
correa 40 a un motor de accionamiento 42.
Una línea de recirculación 44 se puede disponer
para extenderse a través de la pared lateral 26 del conducto 10,
cerca de la parte inferior de la cuba 20 para recircular el agua de
regreso arriba al conjunto 14 de pulverización de agua.
El conjunto 14 de pulverización de agua se
compone de una caja 48 de agua que se extiende a lo largo de la
pared lateral 26 y un par de tuberías de distribución 50 que se
extienden horizontalmente desde la caja de agua a través del
interior del conducto 10 hacia su pared opuesta 28. Cada una de las
tuberías 50 está equipada con una pluralidad de toberas 52, que
emiten chorros de agua con forma de ventilador que se cortan
mutuamente para proporcionar una distribución uniforme del agua en
todo el conjunto de serpentín 16.
El conjunto 12 de eliminador de vaporización
comprende una pluralidad de tiras alargadas 54 muy próximas entre
sí, que están dobladas a lo largo de su longitud para formar
recorridos sinuosos desde la zona del conjunto de pulverización de
agua afuera a través de la parte superior del conducto 10. Cabe
señalar que el conjunto de eliminador de vaporización se extiende a
través de sustancialmente toda la sección transversal del conducto
y, puesto que la sección transversal del conducto 10 es
sustancialmente uniforme, el conjunto de eliminador de vapor ocupa
sustancialmente el mismo área en sección transversal del conducto 10
que el conjunto de serpentín 16.
El conjunto de serpentín 16 acorde con cualquier
realización se muestra mejor en las figuras 3-4 y se
compone de un colector superior 56 de entrada y un colector
inferior 58 de salida que se extienden horizontalmente por el
interior del conducto 10 junto a la pared lateral 26. Los colectores
se mantienen en su sitio por medio de soportes 60 en la pared
lateral 26. Los conductos de entrada y salida 62 y 64 de líquido se
extienden a través de la pared lateral 26 y se comunican con los
colectores superior e inferior 56 y 58, respectivamente. Estos
conductos de fluidos están conectados para recibir un fluido a
enfriar o condensar, por ejemplo el refrigerante de un compresor en
un sistema de aire acondicionado (no mostrado).
Una pluralidad de tubos de refrigeración 66 se
conecta entre los colectores superior e inferior 56 y 58. Cada tubo
está formado preferentemente en una disposición de serpentino por
medio de curvas de retorno 68 (y 70) de 180 grados, cerca de las
paredes laterales 26 y 28 de manera que los diferentes segmentos de
cada tubo se extiendan generalmente en horizontal en el interior
del conducto 10 de una parte a otra entre las paredes laterales 26
y 28 en diferentes niveles en el conducto a lo largo de un plano
vertical en paralelo y muy próximo al plano de cada uno de los
otros tubos. También se observará que los tubos 66 están dispuestos
en formaciones desviadas alternativamente. Se puede ver que cada
uno de los colectores 56 y 58 está provisto de una fila superior y
una inferior de aberturas para aceptar los tubos 66 en estos dos
niveles diferentes. Estos tubos pueden tener cualquier diámetro
exterior D adecuado, tal como 9,5-50 mm
(3/8''-2''). Sin embargo, en un ejemplo de
realización preferido, tienen un diámetro de 25-32
mm (1.0-1.25''). Las curvas de retorno 68 de 180
grados también pueden tener cualquier radio de curvatura adecuado.
Sin embargo, un ejemplo de realización tiene un radio de
38-63.5 mm (1.5-2.5''). Además los
niveles correspondientes de los segmentos de tubos adyacentes deben
estar desviados verticalmente entre sí una cantidad aproximadamente
igual al radio de la curva de 180 grados.
A fin de apoyar los tubos 66 en las curvas 68 (y
70) se proporcionan unas varillas de apoyo 72 que se extienden
horizontalmente que están montadas en la pared 26, entre los
soportes 60 y, en la pared 28, entre unos soportes 74.
El conjunto de serpentín 16 consta en sección
transversal de formaciones de segmentos 66 de tubo dispuestas en
diferentes niveles o alturas debido a la disposición desviada de los
tubos adyacentes. Este conjunto es similar a muchos diseños de
conjuntos de serpentín anteriores, pero difiere en el nivel de
densificación, como se ilustra mejor en las figuras
5-8 explicadas a continuación.
Como se explica en el manual estándar de la
Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y
Aire Acondicionado (American Society of Heating, Refrigeration and
Air Conditioning Engineers), dos procesos separados de
transferencia de calor están involucrados en el funcionamiento de
los intercambiadores de calor por evaporación. En el primer proceso
de transferencia de calor, el calor del líquido que se enfría o
condensa pasa a través de las paredes del tubo hacia el agua que
fluye por los tubos. En el segundo proceso, el calor se transfiere
desde el agua que fluye por los tubos hacia el aire que fluye hacia
arriba. Estos dos procesos se describen por las siguientes
ecuaciones:
- 1.
- q=A (t_{c} - t_{s}) U_{s}; y
- 2.
- q=A (h_{s} - h_{l}) Uc,
donde q = calor total transferido, A =
superficie total del tubo; t_{c} = temperatura del fluido en los
tubos; t_{s} = temperatura del agua fuera de los tubos; U_{s} =
coeficiente de transmisión térmica del fluido al agua, h_{s}
entalpía del aire saturado a t_{s}; h_{l} = entalpía del aire
ambiente, y U_{c} = coeficiente de transmisión térmica del agua
al aire.
\vskip1.000000\baselineskip
En ambos procesos de transferencia de calor, la
cantidad de calor que se transfiere es generalmente proporcional al
área total de la superficie del tubo siempre que no haya pérdidas de
compensación a los coeficientes de transferencia de calor y haya un
correspondiente aumento en el flujo de aire. Esto puede ser
especialmente ventajoso en un diseño serpentín/relleno que reduce
al mínimo esos efectos compensatorios.
La figura 5 muestra una vista en despiece
ordenado de una sección transversal del conjunto de serpentín 16 de
una configuración de tubos de la técnica anterior en la que los
tubos redondos 66 de serpentín de un diámetro D1 se disponen en una
configuración de superposición y están apoyados juntos estrechamente
en una agrupación apretada. Con esta disposición, se puede lograr
una mejor separación S1 entre circuitos, que es igual o ligeramente
mayor que D1. Esto da lugar a una densidad de circuito
D_{1}/S_{1}<1,0.
La figura 6 muestra una vista en despiece
ordenado de una sección transversal de otro conjunto de serpentín
de la técnica anterior, ejemplificada por la patente de EE.UU. nº
5.425.414. En esta disposición, se disponen unos tubos elípticos 66
de serpentín en una configuración de superposición y se apoyan
juntos muy próximos en una agrupación apretada como en la figura.
5. Aunque los recorridos longitudinales de los tubos son elípticos,
las curvas de retorno son circulares, como se muestra con un
diámetro D2. Debido a los tubos elípticos, se proporciona un flujo
de aire adicional entre los tubos elípticos. Sin embargo, a causa de
la sección transversal en general circular, en la zona de las
curvas de retorno, la separación S2 de circuito a circuito se
mantiene igual o ligeramente mayor que D2 como en la figura. 5. Una
vez más, la densidad circuito D_{2}/S_{2}<1,0.
La figura 7 muestra una vista en despiece
ordenado de una sección transversal de un conjunto de serpentín 16
de la técnica anterior, como el ejemplificado por la patente EE.UU.
nº 4.196.157. En esta disposición, unos tubos redondos 66 de
serpentín de diámetro D1 se disponen en una configuración de
superposición y están separados por barras separadoras 76. Esto da
lugar a una separación S3 entre circuitos que era más grande que
D3. En particular, la separación S3 es igual al diámetro D3 del
segmento de tubo 66 más el espesor de la barra separadora 76. Esto
da lugar a una disposición de tubos dispersados con menor densidad
que en las figuras 5-6. Es decir, la densidad de
circuito D_{3}/S_{3}<<1,0.
Antes de ahora, se creía que había un límite
para la densidad que se podía conseguir en los paquetes de tubos.
Con el apilamiento convencional, la densidad (D_{x}:S_{x}) era
\leq1,0 debido al contacto de las partes superpuestas. Incluso
con métodos imprecisos de "arrastre hacia abajo", la densidad
sólo podría aumentarse a <1,02. Sin embargo, con este conjunto
de serpentín y el método inventivos, los circuitos de tubos
individuales pueden ser precisamente agrupados con precisión con
una densidad (D_{x}:S_{x}) mayor a 1, preferiblemente superior
a 1,02, de forma que se puede proporcionar un área de superficie
aumentada dentro de una determinada área del intercambiador de
calor.
La figura 8 muestra una vista en despiece
ordenado de un conjunto de serpentín 16 de acuerdo con la invención
en el que los tubos 66 de serpentín se disponen en una configuración
de superposición y están apoyados estrechamente juntos en un
agrupamiento más apretado, más densificado. Los tubos tienen un
diámetro D4. Sin embargo, al proporcionar una o más depresiones en
los tubos en una o más zonas de cada superposición, el conjunto de
serpentín inventivo dispone de una separación entre circuitos S4
que es ligeramente menor que D4, lo que da lugar a una densidad de
serpentín D/S>1,0, preferiblemente superior a 1,02. Además,
debido a que las depresiones se pueden formar en las zonas de
superposición antes del montaje, las depresiones pueden ser hechas
con más precisión, de manera que se puede proporcionar una
separación S4 precisa entre circuitos, preferentemente uniforme,
por todo el conjunto. Esto logra un funcionamiento más consistente
del intercambiador de calor en el que cada circuito tiene
sustancialmente el mismo flujo, caída de presión y otras propiedades
características de intercambiador de calor.
Las depresiones pueden incluir abolladuras,
huecos, surcos, muescas o concavidades, por ejemplo, que reducen
las dimensiones exteriores de los tubos en las zonas de
superposición. Las depresiones tendrán una profundidad
predeterminada en base a varios criterios, incluyendo el grado
deseado de compresión/densidad, y la reducción máxima del área en
sección transversal según se permita por la caída de presión y/o la
velocidad del fluido, gas o las dos fases. Ejemplos de depresiones
se forman por formación de concavidades y tienen una profundidad de
5% a 50% del diámetro del tubo cuando se proporcionan en un lado de
los tubos. En un ejemplo de realización particular, la formación de
concavidades, es del orden de 1,6 a 4,8 mm (1/6'' a 3/16''). Sin
embargo, cuando la formación de concavidades se proporciona en
ambos lados, la formación de concavidades puede tener una
profundidad reducida de 2,5% a 25%, ya que la formación de
concavidades complementaria tendrá el doble del aumento efectivo
del aumento de densidad en comparación a la formación de
concavidades en un solo lado.
En el ejemplo de la figura 8, se ilustra una
sección transversal circular. Aunque esta es una configuración
preferida, en algunos casos puede ser preferible el uso de tubos de
sección no circular. El término "diámetro" en tales casos se
debe entender como la distancia diametral a través de la sección
transversal del tubo en sentido de apilamiento o superposición.
Esto también puede ser a veces conocido como el área en sección
transversal proyectada cuando el tubo no es redondo.
Durante el funcionamiento del intercambiador de
calor de ejemplo de las figuras 2-4 y 8, un fluido
que hay que enfriar o condensar, tal como un refrigerante de un
sistema de aire acondicionado, fluye en el intercambiador de calor
a través del conducto de entrada 62. Este fluido se distribuye
entonces por el colector superior 56 hacia los extremos superiores
de los tubos de refrigeración 66, y fluye hacia abajo a través de
los tubos, de un lado al otro en el interior del conducto 10 a
diferentes niveles en él hasta que llega al colector inferior 58 en
donde es recogido y trasladado fuera del intercambiador de calor a
través del conducto de salida 64. Cuando el líquido que se enfría
fluye a través de los tubos 66, el agua se pulveriza desde las
toberas 52 hacia abajo sobre las superficies exteriores de los
tubos y el aire es impulsado desde los ventiladores 32 arriba entre
los tubos. El agua pulverizada se acumula en la cuba 20 y se
recircula a través de las toberas. El aire que fluye hacia arriba
pasa a través del conjunto 12 de eliminador de vapor y se expulsa
arriba fuera del sistema.
Durante su flujo hacia abajo a través de los
tubos de refrigeración 66, el fluido que se enfría proporciona
calor a las paredes de los tubos. Este calor pasa al exterior a
través de las paredes de los tubos al agua que fluye hacia abajo
sobre su superficie exterior. Cuando el agua que fluye hacia abajo
se encuentra con el aire que se mueve hacia arriba, el agua cede
calor al aire, tanto por transferencia de calor sensible como por
transferencia de calor latente, es decir, por la evaporación
parcial. El resto del agua cae hacia abajo en la cuba 20, donde se
acumula para la recirculación. Cuando el aire que se mueve hacia
arriba se encuentra con el agua que fluye hacia abajo y extrae
calor del agua, el aire también arrastra una cierta cantidad de
agua en forma de gotas que lleva arriba fuera del conjunto de
serpentín 16 y arriba fuera del conjunto 14 de pulverización de
agua. Sin embargo, cuando el aire pasa a través del conjunto 12 de
eliminador de vaporización, su flujo es cambiado rápidamente en
sentido lateral y las gotitas líquidas transportadas por el aire que
se separan del aire y se depositan en los elementos del eliminador
de vaporización. El agua cae de nuevo en los conjuntos de serpentín
y pulverización. Mientras tanto, el aire resultante con alta
humedad, pero esencialmente sin gotas, se expulsa fuera a través de
la parte superior del conducto 10 a la atmósfera.
En algunas realizaciones de la invención, el
área de superficie de los tubos 66 del conjunto de serpentín puede
ser aumentada adicionalmente con el uso de aletas muy próximas entre
sí que se extienden hacia el exterior, en dirección horizontal,
desde la superficie de los segmentos de tubo.
En ciertas aplicaciones en las que la caída de
presión admisible es una preocupación, se utilizan normalmente
paquetes de tipo cuádruple. Aunque el área de la superficie y la
longitud total de los tubos usados es la misma, los paquetes
cuádruples alimentan el doble que muchos circuitos de la mitad de la
longitud del tubo como los paquetes estándar. Esto reduce las
caídas de presión del fluido interno por un factor de
aproximadamente siete, pero también reduce el coeficiente global de
transferencia de calor debido a la velocidad más baja en el tubo,
aunque se proporciona un área de superficie de transferencia de
calor comparable. Sin embargo, los paquetes de tubos cuádruples son
típicamente más caros que los paquetes estándar, con alrededor del
5% al 15% de menos rendimiento térmico. Esto se debe en parte a la
cantidad adicional de circuitos que deben ser fabricados,
manipulados y soldados en el colector principal, junto con un menor
coeficiente de película interior debido a la velocidad más baja en
el tubo. Sin embargo, el paquete de tubos densificado de la
invención permite que el diseño estándar de paquete de tubos amplíe
su rango de funcionamiento térmico antes de que se alcance el
límite de caída de presión al permitir que una mayor área interna de
flujo sea agrupada en el mismo espacio. Como tal, con el uso del
conjunto de paquete de tubos densificado, se puede reducir la
necesidad de paquetes cuádruples.
Un ejemplo de método de fabricación del conjunto
de serpentín se describirá haciendo referencia a las figuras
9-13. La figura 9 muestra un circuito de tubo
individual formado por extrusión y doblando de una longitud
continua de tubo de acero 66 en la forma de serpentino mostrada.
Cuarenta de estos circuitos se pueden combinar para formar un
intercambiador de calor de 40 circuitos. Cada tubo 66 está formado
de un tubo redondo de diámetro 26,7 mm (1,05'') para tener: una
longitud interior L1 de 33 cm (130-9/16'') desde el
extremo del tubo a la línea central de la curva de retorno; una
longitud L2 de 34 cm (133-1/8'') desde la línea
central del radio de la curva de retorno a la línea central del
radio de la curva de retorno; y una longitud total L3 de 35 cm
(137-1/2''). Sin embargo, los tamaños específicos
tienen la intención ser ilustrativos y no limitativos.
Como se muestra en la figura 10, cada curva de
retorno 68 del tubo 66 tiene un radio exterior de 66 mm
(2-19/32'') (ancho total de 132 mm
(5-3/16'')). Por lo menos una zona de concavidad 68B
se forma en el extremo más exterior de la curva de retorno. Cada
zona de concavidad está dimensionada y conformada para emparejarse y
anidarse con un perfil de tubo de curva de retorno adyacente por
superposición. En el ejemplo mostrado, se proporcionan dos zonas
con concavidades simétricas a ambos lados derecho e izquierdo de una
superficie superior de cada curva de retorno. Más concretamente, en
este ejemplo específico, se usó un ángulo de aproximadamente 30º,
medido desde el plano de extremo perpendicular al eje longitudinal
del tubo. Éste se calculó mediante la triangulación de los puntos
en los que los ángulos cruzan los ejes longitudinales y
transversales. Sin embargo, el ángulo puede variar dependiendo de
la forma y la superposición de las curvas de retorno.
Las zonas de concavidades 68B tienen una anchura
de tamaño para recibir la curva de retorno adyacente superpuesta.
La anchura real depende de la profundidad de la concavidad.
Preferentemente, la concavidad tiene una curvatura que se
corresponde con el perfil del tubo. En este caso, la concavidad es
semiesférica y tiene una profundidad de aproximadamente 3,8 mm
(0,15'') como se muestra en la figura. 1.
En realizaciones de ejemplo de la invención, las
concavidades pueden formarse en masa con un troquel o plantilla que
forma las concavidades sustancialmente de manera simultánea a todas
las zonas necesarias en un circuito. Alternativamente, se pueden
formar concavidades individuales durante la formación de las curvas
de retorno del serpentino. El método particular de producción puede
ser seleccionado basándose en el método particular de fabricación
de tubo utilizado. En un ejemplo de realización, las concavidades
pueden formarse de forma manual utilizando una herramienta
convencional de formación de concavidades, ya sea cuando se forma
cada curva de retorno individual 68 de los tubos 66, o realizado
manualmente tras la finalización de los circuitos individuales 66.
En otra realización, el proceso también se puede automatizar
mediante la formación de una plantilla, como la plantilla 120 de
formación de concavidades mostrada en la figura. 13. Esta plantilla
permite la formación al mismo tiempo de ambas zonas 68B de
concavidades. Este proceso se puede automatizar aún más
proporcionando una pluralidad de tales plantillas de formación de
concavidades, una por cada curva de retorno. Si todas estas
plantillas de formación de concavidades se unen o clasifican, la
formación de concavidades se puede lograr en una sola operación o
golpe para cada circuito individual 66. Esta última realización
tiene la ventaja de aumentar la productividad y asegurar la calidad
de la formación de concavidades.
En los tubos se pueden proporcionar varias
configuraciones diferentes de concavidades. En el ejemplo de
realización de la figura 10, cada curva de retorno tiene
concavidades en dos lugares en un lado (superior o inferior) de los
tubos para que, independientemente del orden de apilamiento de los
circuitos, los paquetes de tubos se anidarán siempre de manera
uniforme. Sin embargo, la formación de concavidades se puede
proporcionar en ambos lados de cada curva de retorno. En una
realización alternativa, la formación de concavidades se proporciona
en ambos lados una curva de retorno de cada dos curvas de retorno,
dejando curvas de retorno adyacentes sin concavidades pero
produciendo el mismo efecto general. En incluso un ejemplo de
realización adicional, las concavidades se pueden realizar en ambos
lados de todos los tubos, pero con un tamaño de concavidad reducido
o menos pronunciado. Esto tendrá el mismo resultado neto que las
concavidades más grandes que se proporcionan en un solo lado. En
incluso otra realización, el mismo efecto puede lograrse mediante el
uso de una sección transversal reducida no circular en la dirección
del proceso. Un ejemplo de esto sería una sección elíptica. Sin
embargo, una reducción continua de la sección transversal en la
curva de retorno puede tener efectos adversos sobre las
características del flujo o la transferencia de calor de los tubos.
Es decir, la formación de concavidades tiene la ventaja de añadir
sólo un aumento mínimo de caída de presión interna de fluido, en
comparación con la compresión de la curva de retorno entera. Las
concavidades son más fáciles de formar que la compresión de toda
una curva de retorno, a la vez que tiene un mínimo efecto, si hay
algo, sobre las características estructurales de los tubos. Por
otra parte, como los tubos adyacentes se anidan en la zona de la
concavidad, esto sirve para reforzar esta zona.
La figura 12 muestra un colector principal 56
con 40 aberturas desviadas 56A dimensionadas para recibir los
extremos de los cuarenta circuitos individuales 66 de tubo. En este
ejemplo, las aberturas son cada una de un diámetro de 28 mm
(1-3/32''). Como se muestra, el colector tiene una
altura total H1 de 9,6 cm (37-3/4''). Una primera
fila de 20 de las aberturas son equidistantes por 19 separaciones de
45 mm (1-25/32'') cada una entre centros, para un
total de separación H2 de 8,6 cm (33-27/32'') entre
centros. Una segunda fila de 20 aberturas son equidistantes también
por 19 separaciones de 45 mm (1-25/32'') cada entre
centros, para un total de separación H2 de 8,6 cm
(33-27/32'') entre centros. Sin embargo, la segunda
fila está desviada respecto la primera. La primera y segunda filas
de aberturas están separadas por una distancia W1 de 48 mm
(1-7/8'').
El conjunto de serpentín 16 resultante tiene una
separación individual S entre circuitos que es menor que el
diámetro de los tubos (es decir, S=23 mm (57/64''), D=27 mm
(1,05''), relación de densidad de agrupamiento = D/S = 27 mm
\textdiv 23 mm (1,05 "\textdiv 57/64") = 1,179). Esto
permite el agrupamiento de circuitos adicionales en un menor
alojamiento de intercambiador de calor ya que el ejemplo de
reducción de 3,8 mm (0.15'') en la separación S (respecto la
densidad máxima que se pensaba de 1,02) multiplicado por el número
de circuitos formará finalmente una diferencia suficientemente
grande para permitir la adición de uno o más circuitos adicionales.
Por otra parte, la formación de serpentines resultante puede hacerse
de manera uniforme y/o separada con precisión con esta densidad de
>1,02 por la disposición de las zonas de depresión, formadas con
precisión, tales como concavidades.
El conjunto de serpentín densificado de la
invención puede ser beneficioso en muchos entornos diferentes de
intercambiadores de calor. El conjunto de serpentín densificado
permite una mayor área de superficie de transferencia de calor en
las mismas limitaciones de espacio y de tamaño que los diseños
anteriores o, por el contrario, permite que la misma área de
superficie de transferencia de calor sea incluida en un recinto más
pequeño. Esto tiene ventajas cuando el tamaño del recinto está
fijado.
El conjunto de serpentín densificado también
reduce la caída de presión en el intercambiador de calor al
proporcionar más circuitos. Esto puede ser ventajoso en muchos
tipos de intercambiadores de calor, tales como el tipo
serpentín/relleno de la figura 1, en el los criterios de presión
pueden conducir el diseño.
El conjunto de serpentín densificado de la
invención también permite una separación más precisa y controlable
entre los circuitos. Por ejemplo, haciendo que todos los circuitos
estén uniformemente separados y con concavidades, cada circuito
puede tener, substancialmente, el mismo flujo de aire, caída de
presión y otras propiedades. Esto permite un mejor diseño de
intercambiador de calor.
Los mejores resultados parecen ser alcanzados
cuando el conjunto de serpentín densificado de la invención se
utiliza en un intercambiador de calor de tipo serpentín/relleno, es
decir, uno que incluye una combinación de aparato de intercambio de
calor directo e indirecto por evaporación como en la figura. 1. Esta
realización puede lograr mejores resultados en comparación con los
intercambiadores de calor sólo de tipo serpentín, como en la figura
2, ya que el aumento de la densidad de tubos no disminuye el flujo
de aire global de la unidad en la misma medida que es posible en un
intercambiador de calor de tipo solo de serpentín.
Un ejemplo de una aplicación para un
intercambiador de calor de combinación serpentín/relleno con un
serpentín densificado es una torre de refrigeración de ciclo
cerrado, en la que un fluido inicialmente caliente, como el agua,
se dirige en general hacia arriba a través de una serie de circuitos
que comprenden una sección de intercambio de calor indirecto por
evaporación, donde el agua caliente experimenta un intercambio
indirecto de calor sensible con una contracorriente de líquido
enfriador por evaporación que gravita sobre las superficies
exteriores de los circuitos. En la realización preferida, el agua
más fría que sale de cada uno de los circuitos es igualmente
expuesta al líquido de evaporación de temperatura más fría uniforme
y a las corrientes de aire ambiente de temperatura más fría
uniforme disponibles. Esto conduce a un método de transferencia de
calor más uniforme y necesariamente más eficiente que el realizado
por la técnica anterior. Cuando el calor se transfiere de forma
sensible desde el fluido caliente, el líquido de evaporación aumenta
de temperatura ya que gravita hacia abajo a través de la sección de
intercambio de calor indirecto por evaporación. Al mismo tiempo, el
aire ambiente más fresco es echado sobre los circuitos en un
recorrido que es concurrente con el líquido por evaporación
gravitando. Parte del calor absorbido por el líquido de evaporación
se transfiere a la corriente de aire que se mueve de manera
concurrente, mientras que el resto del calor absorbido da lugar a un
aumento de la temperatura del líquido de evaporación cuando fluye
hacia abajo sobre los circuitos. El líquido de evaporación gravita
entonces sobre una sección de intercambio de calor directo por
evaporación. La sección de intercambio de calor directo por
evaporación utiliza una fuente separada de aire ambiente fresco para
enfriar directamente el líquido calentado ahora de evaporación a
través del intercambio de calor por evaporación. El flujo de aire a
través de la sección directa puede ser cruzado o en contracorriente
con el líquido de evaporación descendente. Este líquido enfriado
ahora de evaporación se recoge después en un sumidero, dando lugar a
un líquido de evaporación refrigerado a temperatura uniforme que
luego se redistribuye hacia la parte superior de la sección de
evaporación indirecta.
Cuando se aplica como un condensador por
evaporación, el proceso es el mismo que se ha explicado para el
aparato de refrigeración por fluido en circuito cerrado, salvo que
como el refrigerante se condensa en una condición isotérmica, el
flujo del líquido, ahora un gas refrigerante, se invierte
típicamente con el fin de facilitar el drenaje del condensado.
Claims (19)
1. Un conjunto de serpentín (16) para un
intercambiador de calor (10), que comprende:
una formación de al menos dos circuitos de
serpentino, cada circuito incluye secciones (66) de tubo
longitudinal de un diámetro efectivo D, secciones (68) de curva de
retorno de un diámetro efectivo D, y extremos de entrada y salida,
donde
los por lo menos dos circuitos de serpentino se
apilan en una disposición plana escalonada con curvas de retorno
adyacentes (68) que están al menos parcialmente superpuestas;
caracterizado porque:
al menos uno de los dos circuitos de serpentino
está provisto con al menos una zona de depresión (68B) que coincide
con el punto de superposición con la curva de retorno (68) de un
circuito de serpentino adyacente,
en el que los por lo menos dos circuitos de
serpentino son agrupados de manera densa para que los circuitos de
serpentino adyacentes se aniden en la al menos una zona de depresión
(68B) para proporcionar una densidad de agrupamiento D/S entre
circuitos mayor que 1,02, donde S es la separación entre cada uno de
los circuitos adyacentes y D es el diámetro efectivo de las
secciones de tubo (66).
2. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 1, en el que la zona de depresión (68B) tiene una
profundidad de entre 2,5-50% del diámetro D.
3. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 1 ó 2, en el que la zona de depresión (68B) tiene
una profundidad de entre 0,8 mm-13 mm
(1/32''-1/2'').
4. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 1, 2 ó 3, en el que la zona de depresión (68B) tiene
un perfil que coincide sustancialmente con la curva de retorno
adyacente (68) en el punto de superposición.
5. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 4, en el que el perfil es semicilíndrico.
6. El conjunto de serpentín (16) acorde con
cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión
(68B) se proporciona en al menos uno de los lados superior e
inferior de al menos los circuitos de serpentino alternos.
7. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B) se
proporciona en ambos lados superior e inferior de los circuitos de
serpentino alternos.
8. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B), se dispone
en los lados superior e inferior de todos los circuitos de
serpentino intermedios de la formación y cada zona de depresión
(68B) tiene una profundidad de entre el 1,25% y el 25% del diámetro
D.
9. El conjunto de serpentín (16) acorde con la
reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B) se dispone
en ambos extremos izquierdo y derecho de la parte superior o
inferior para dar cabida a la desviación y la superposición en
cualquier dirección.
10. El conjunto de serpentín (16) acorde con
cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión
(68B) se logra mediante la formación de al menos el punto de
superposición de las curvas de retorno (68) en una forma aplastada
en sección transversal.
11. El conjunto de serpentín (16) acorde con
cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión
(68B) está formada por una concavidad.
12. El conjunto de serpentín (16) acorde con
cualquier reivindicación anterior, en el que la formación de al
menos dos circuitos de serpentino incluye tres o más circuitos y la
separación S entre circuitos es uniforme entre todos los circuitos
de serpentino del conjunto de serpentín.
13. Un intercambiador de calor (10), que
comprende:
El conjunto de serpentín (16) de cualquiera de
las reivindicaciones anteriores;
un colector de admisión (56) conectado a las
entradas de cada uno de los al menos dos circuitos de
serpentino;
un colector de salida (56) conectado a las
salidas de cada uno de los al menos dos circuitos de serpentino;
y
un conducto de un tamaño predeterminado que
aloja al conjunto de serpentín (16) e incluye una entrada y salida
de gas.
14. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 13, que comprende además un ventilador (32)
dispuesto para mover un gas desde la entrada de gas del conducto, a
través del conjunto de serpentín y afuera por la salida de gas del
conducto.
15. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 13 ó 14, que comprende además un sistema (52) de
distribución del líquido dispuesto por encima del conjunto de
serpentín (16) para distribuir el líquido hacia abajo sobre el
conjunto de serpentín.
16. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 13, 14 ó 15, en el que el intercambiador de calor
es un intercambiador de calor por evaporación.
17. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor por
evaporación es un intercambiador de calor indirecto.
18. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor por
evaporación incluye un sistema de intercambiador de calor directo
por evaporación y un sistema de intercambiador de calor indirecto
por evaporación.
19. El intercambiador de calor (10) acorde con
la reivindicación 18, en el que el intercambiador de calor es de
tipo serpentín/relleno.
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